GEOKEMIJAGEOKEMIJA

UVODUVOD

LiteraturaLiteratura Albarède, F., 2003, Geochemistry. An Introduction. 

– Cambridge University Press, 248 pp. Krauskopf, K. B. & Bird, D. K., 1994, Introduction 

To Geochemistry. Prohić, E., 1998, Geokemija.TARGA, 554 pp. Rollinson, H., 1993, Using geochemical data: 

evaluation, presentation, interpretation. Longman Scientific & Technical, 352 pp.  

White, W. M., 19982007, Geochemistry. White, W. M., 19982007, Geochemistry. http://www.imwa.info/geochemistry/http://www.imwa.info/geochemistry/

www.ntfgeo.unilj.si/nzupancic/www.ntfgeo.unilj.si/nzupancic/

http://www.imwa.info/geochemistry/

SchSchöönbein 1838:nbein 1838: Natančno moramo proučevati lastnosti vseh geoloških formacij, Natančno moramo proučevati lastnosti vseh geoloških formacij, 

čim točneje moramo ugotoviti odnose med njihovimi kemijskimi in čim točneje moramo ugotoviti odnose med njihovimi kemijskimi in fizikalnimi lastnostmi ter časovnim zaporedjem in sočasno fizikalnimi lastnostmi ter časovnim zaporedjem in sočasno vzporejati produkte kemijskih sil, ki danes delujejo na organske vzporejati produkte kemijskih sil, ki danes delujejo na organske snovi iz preteklosti.snovi iz preteklosti.

Clark 1925 (Data of Geochemistry):Clark 1925 (Data of Geochemistry): Vsako kamnino lahko obravnavamo kot kemijsko snov, ki se zaradi Vsako kamnino lahko obravnavamo kot kemijsko snov, ki se zaradi 

različnih dejavnikov lahko kemijsko spremeni. Vsaka spremeba je različnih dejavnikov lahko kemijsko spremeni. Vsaka spremeba je porušitev ravnotežja, ki se pod novimi pogoji ponovno vzpostavi. porušitev ravnotežja, ki se pod novimi pogoji ponovno vzpostavi. Geokemija je proučevanje teh sprememb.Geokemija je proučevanje teh sprememb.

Vernadski 1924:Vernadski 1924: Geokemija proučuje kemijske prvine v pogojih, ki vladajo v Geokemija proučuje kemijske prvine v pogojih, ki vladajo v 

zemljini skorji in kolikor je mogoče, v celotni Zemlji. Proučuje zemljini skorji in kolikor je mogoče, v celotni Zemlji. Proučuje njihovo zgodovino v skorji ter njihovo obnašanje v različnih njihovo zgodovino v skorji ter njihovo obnašanje v različnih naravnih termodinamičnih in fizikalnokemijskih pogojih.naravnih termodinamičnih in fizikalnokemijskih pogojih.

Goldschmidt 1933:Goldschmidt 1933: Osnovni namen geokemije je, da po eni strani kvantitativno določi Osnovni namen geokemije je, da po eni strani kvantitativno določi 

sestavo Zemlje in njenih delov, in po drugi, da odkrije zakone, ki sestavo Zemlje in njenih delov, in po drugi, da odkrije zakone, ki kontrolirajo porazdelitev posameznih prvin.kontrolirajo porazdelitev posameznih prvin.

Geokemija je znanost, ki proučuje sestavo Geokemija je znanost, ki proučuje sestavo Zemlje, porazdelitev kemijskih prvin in Zemlje, porazdelitev kemijskih prvin in njihovih izotopov v Zemlji ter zakone, ki to njihovih izotopov v Zemlji ter zakone, ki to razporeditev določajo.razporeditev določajo.

Geokemija uporablja kemijske principe za Geokemija uporablja kemijske principe za razlago mehanizmov nekdanjega in sedanjega razlago mehanizmov nekdanjega in sedanjega delovanja geoloških sistemov kot so zemljin delovanja geoloških sistemov kot so zemljin plašč, skorja, oceani in atmosfera.plašč, skorja, oceani in atmosfera.

Geokemija uporablja orodja kemije za Geokemija uporablja orodja kemije za reševanje geoloških problemov; kemijo reševanje geoloških problemov; kemijo uporabimo za razumevanje Zemlje in njenega uporabimo za razumevanje Zemlje in njenega delovanja.delovanja.

GEOKEMIJA

KEMIJA GEOLOGIJA

LITOGEOKEMIJA

HIDROGEOKEMIJA BIOGEOKEMIJA

ATMOGEOKEMIJAKOZMOKEMIJA

Fizikalna kemija

Geofizika in fizika

Kristalografija Mineralogija Petrologija

Pedologija Sedimentologija

Ekonomska geologija

Okolje

IZOTOPSKA GEOKEMIJA

Razcvet leta 1950, ko postanejo dostopne Razcvet leta 1950, ko postanejo dostopne različne analitske metode.različne analitske metode.

Proučevanje meteoritov.Proučevanje meteoritov. Pomembni prispevki pri razumevanju Pomembni prispevki pri razumevanju 

konvekcije plašča, nastanka planetov, izvora konvekcije plašča, nastanka planetov, izvora bazalta in granita, p –T pogojev metamorfoze,  bazalta in granita, p –T pogojev metamorfoze,  sedimentacije, določanja časa v geološki sedimentacije, določanja časa v geološki zgodovini, spreminjanju oceanov in podnebja, zgodovini, spreminjanju oceanov in podnebja, nastanku rudišč, vedah o okolju... nastanku rudišč, vedah o okolju... 

Geokemijska orodjaGeokemijska orodja TermodinamikaTermodinamika KinetikaKinetika Kemija vodeKemija vode Geokemija slednih prvinGeokemija slednih prvin Izotopska geokemijaIzotopska geokemija

uporabimo za razumevanje Zemljeuporabimo za razumevanje Zemlje Nastanek Zemlje in Sončnega sistemaNastanek Zemlje in Sončnega sistema Jedro in plaščJedro in plašč SkorjaSkorja HidrosferaHidrosfera AtmosferaAtmosfera

Znanstveno razumevanje sestavljajo Znanstveno razumevanje sestavljajo  opazovanja inopazovanja in

ponovljivostponovljivost reprezentativnostreprezentativnost

teorije (modeli, hipoteze) s katerimi jih razložimo.teorije (modeli, hipoteze) s katerimi jih razložimo. Oscar Wilde:Oscar Wilde:

Ne da se naučiti nič, kar je vredno vedeti.Ne da se naučiti nič, kar je vredno vedeti. AlbarAlbarèède:de:

Zbirka opazovanj ni nič bolj znanost, kot je telefonski Zbirka opazovanj ni nič bolj znanost, kot je telefonski imenik literatura.imenik literatura.

Dinamiko Zemlje kontrolirata dva v nasprotnih Dinamiko Zemlje kontrolirata dva v nasprotnih smereh delujoča procesa:smereh delujoča procesa: DiferenciacijaDiferenciacija

Taljenje, kristalizacija, izhlapevanje, kondenzacijaTaljenje, kristalizacija, izhlapevanje, kondenzacija MešanjeMešanje

Homogenizacija snovi iz različnih okolij Homogenizacija snovi iz različnih okolij 

Kroženje prvin v naraviKroženje prvin v naravi Na, Mg, FeNa, Mg, Fe

Povzetek diferenciacije ZemljePovzetek diferenciacije Zemlje

refrakcija

hlapne snovi

siderofilni & halkofilni

litofilni atmofilniIzgubljeno zaradi impaktov

solarna meglica

kondenzacija in akrecija

jedro silikatna Zemlja Prvotna atmosfera

notranjejedro

zunanje jedro

prvotni plašč Luna

spodnji plaščzgornji plašč

celinska skorja

oceanska skorja

sedanji oceani in atmosfera

neprekinjen tok kometov?

delno taljenje, lo evanje teko ina-kristalč č

tektonika ploš ; delno čtaljene, recikliranje

nukleosinteza, mešanje

ravnotežje plin-trdna snov

taljenje, gravitacija in geokemi na afiniteta č

ohlajanjekatastrofi ni č

impakt

peresa vro ih to kč č

razplinjenje

razplinjenje

Prvine moramo proučevati glede na:Prvine moramo proučevati glede na: Njihove lastnostiNjihove lastnosti Mineralne in tekoče faze, ki jih vključujejoMineralne in tekoče faze, ki jih vključujejo Procese, ki povzročajo spremembe teh fazProcese, ki povzročajo spremembe teh faz

Kemijska sestava Zemlje

Sestava Zemlje: O, Fe ~ 30% Mg, Si ~ 15% Ni, S ~ 2%  Ca, Al ~ 1%

Sestava Zemljinega plašča in skorje:

O ~ 45% Mg, Si ~ 22% Fe ~8% Ca, Al ~2,5%

Sestava Zemljine skorje:

O  45,6% Si  27,3% Al  8,4% Fe  6,2% Ca  4,7% Mg  2,8% Na  2,3 K  1,8% Ostalo      0,9%

Kemijske prvine so vezane v minerale. Ker je O, Si in (Al) največ – v (alumo)silikate. Minerali gradijo kamnine – kemijska, mineralna in 

litološka sestava so soodvisne!

AtomAtom Jedro iz Z pozitivno nabitih Jedro iz Z pozitivno nabitih 

protonov in N nevtronov brez protonov in N nevtronov brez naboja. naboja.  Masno število atoma A = Z + NMasno število atoma A = Z + N

V elektrosnki ovojnici krožijo V elektrosnki ovojnici krožijo negativno nabiti elektroni, negativno nabiti elektroni, katerih masa je 1836x manjša katerih masa je 1836x manjša od mase protona. od mase protona. 

Atomsko število je enako Atomsko število je enako številu protonov v jedru.številu protonov v jedru.

NuklidNuklid je atomsko jedro, z določenim številom  je atomsko jedro, z določenim številom protonov in nevtronov.protonov in nevtronov.

Vez v jedru je posledica različnih sil:Vez v jedru je posledica različnih sil: Močna (jedrska) kratkega dosegaMočna (jedrska) kratkega dosega ElektromagnetnaElektromagnetna Šibka Šibka 

IzotopiIzotopi prvine imajo isto število protonov in  prvine imajo isto število protonov in različno število nevtronov. različno število nevtronov. 

Kemijske lastnosti izotopov iste prvine so si Kemijske lastnosti izotopov iste prvine so si podobne.podobne.

Atomska masaAtomska masa prvine je odvisna od mas različnih  prvine je odvisna od mas različnih izotopv prvine ter njihove relativne obilnosti.izotopv prvine ter njihove relativne obilnosti.

Nuklidi morajo vsebovati določeno razmerje Nuklidi morajo vsebovati določeno razmerje nevtronov in protonov, da so stabilni.nevtronov in protonov, da so stabilni.

Za lahke prvine (Z>40) je N   Z in najmanjša ≈Za lahke prvine (Z>40) je N   Z in najmanjša ≈privlačna energija pri N = Z.privlačna energija pri N = Z.

Pri večjih masah Kolumbove odbojne sile med Pri večjih masah Kolumbove odbojne sile med protoni povzročijo, da je energetsko ugodnejše, protoni povzročijo, da je energetsko ugodnejše, kadar je N > Zkadar je N > Z

““Dolina stabilnosti” je pri N= Z + ZDolina stabilnosti” je pri N= Z + Z22/160./160. Nuklidi z Z in N daleč od nje so nestabilni – so Nuklidi z Z in N daleč od nje so nestabilni – so 

radioaktivni.radioaktivni. Izotop je radioaktiven, če se jedro sponatno Izotop je radioaktiven, če se jedro sponatno 

spreminja, npr. zaradi oddajanja spreminja, npr. zaradi oddajanja αα delcev ali  delcev ali elektronov. elektronov. 

http://www.nndc.bnl.gov/chart/http://www.nndc.bnl.gov/chart/

v naravi obilni (stabilni ali dolgoživeči) nuklidi

http://www.nndc.bnl.gov/chart/

Periodni sistemPeriodni sistem Mendeleyev 1869Mendeleyev 1869

Lastnosti prvin so periodična Lastnosti prvin so periodična       funkcija atomskih tež.funkcija atomskih tež.

TališčeTališče Formacijska energijaFormacijska energija Atomski radijAtomski radij Prva ionizacijska energijaPrva ionizacijska energija

92 oz. 90 (prometij in tehnicij) naravno prisotnih 92 oz. 90 (prometij in tehnicij) naravno prisotnih prvin.prvin.

Geokemične lastnosti prvin se odražajo v njihovem Geokemične lastnosti prvin se odražajo v njihovem položaju v periodnem sistemu.položaju v periodnem sistemu.

Elektroni in orbitaleElektroni in orbitale Atomsko število določa število elektronov, 

elektronska struktura pa določa lastnosti prvine. Elektroni vezani na atom so v kvantnem 

energijskem stanju – različne oblike elektronske energije so razporejene diskretno – na ločenih energijskih nivojih.

http://www.colorado.edu/physics/2000/applets/a2.htmlhttp://www.colorado.edu/physics/2000/applets/a2.html  Orbitala je  verjetnost porazdelitve elektronov okrog 

jedra.

http://www.colorado.edu/physics/2000/applets/a2.html

Določajo jo kvantna števila. Glavno – glavni energijski nivo elektrona – določa 

glavne elektronske lupine (K, L, M,...) n =1,2,3…

Kotni moment (azimutno) – določa obliko orbitale (s, p, d in f za l = 0,1, 2 and 3)

l = 0,1,2,…, n1. Magnetno – oblika orbitale ob prisotnosti magnetnega 

polja ml = l, l +1,…,+l.

Spinsko –     smer vrtenja     elektrona okrog      svoje osi in 

orbitale  ms = +1/2 and 1/2

Elektroni so razporejeni na lupine (perioda ali vrstica v preidnem sistemu), podlupine in orbitale.

Paulijev izključitveni princip: elektroni v atomu ne smejo imeti enakih vseh štirih kvantnih 

številih. Ker vsaka orbitala ustreza edinstvenemu setu prvih treh 

kvantnih števil, lahko eno orbitalo zasedata le dva elektrona z različnim spinom. 

Prva K lupina ima eno podlupino 1s z eno orbitalo, ki sprejme dva elektrona – v prvi peridi sta zato le dve prvini H in He.

Tretji elektron zaseda prvo orbitalo 2s naslednje lupine L, ki ima dve podlupini 2s in 2p. Podlupina p ima tri orbitale px, py in pz, tako da lahko lupina L sprejme do 8 elektronov – druga perioda ima zato osem prvin (Li – Ne).

V lupini M (3. perioda) je zasedanje elelktronov v podlupini V lupini M (3. perioda) je zasedanje elelktronov v podlupini d energetsko manj ugodno kot zapolnjevanje naslednje d energetsko manj ugodno kot zapolnjevanje naslednje lupine. Šele, ko jezapolnjena orbitala 4s, začnejo elektroni lupine. Šele, ko jezapolnjena orbitala 4s, začnejo elektroni zasedati orbitale 3d (prehodne prvine od Sc do Zn).zasedati orbitale 3d (prehodne prvine od Sc do Zn).

Prehodne prvine imajo torej enako Prehodne prvine imajo torej enako zunanjo 4s lupino in se razlikujejo zunanjo 4s lupino in se razlikujejo le po številu elektronov v 3d le po številu elektronov v 3d orbitali.orbitali.

Enako se pri lantanidih in Enako se pri lantanidih in         aktinidih zapolnjujejo 4d in 5f aktinidih zapolnjujejo 4d in 5f 

lupine.lupine. Jedro zaradi oblaka notranjih Jedro zaradi oblaka notranjih 

elektronov zato šibkeje privlači elektronov zato šibkeje privlači zunanje – “zaščitni učinek”.zunanje – “zaščitni učinek”.

Kemijske lastnosti prvinKemijske lastnosti prvin Lastnosti prvine določa način, kako se Lastnosti prvine določa način, kako se 

elektroni zunanjih orbital obnašajo do drugih elektroni zunanjih orbital obnašajo do drugih prvin. Samo ti sodelujejo v kemijskih vezeh.prvin. Samo ti sodelujejo v kemijskih vezeh.

Prvine s podobno zunanjo elektronsko Prvine s podobno zunanjo elektronsko konfiguracijo se obnašajo podobno.konfiguracijo se obnašajo podobno.

Obnašanje atomov lahko opišemo z:Obnašanje atomov lahko opišemo z: Ionizacijski potencialIonizacijski potencial Elektronska afinitetaElektronska afiniteta ElektronegativnostElektronegativnost

Prvi ionizacijski potencialPrvi ionizacijski potencial je energija, potrebna za  je energija, potrebna za odstranitev najšibkeje vezanega elektrona.odstranitev najšibkeje vezanega elektrona. Na   Na→Na   Na→ ++

Drugi ionizacijski potencialDrugi ionizacijski potencial je energija, potrebna za  je energija, potrebna za odstranitev naslednjega najšibkeje vezanega odstranitev naslednjega najšibkeje vezanega elektrona.elektrona.

Elektronska afinitetaElektronska afiniteta je energija, ki se sprosti ali  je energija, ki se sprosti ali porabi pri sprejemanju elektrona.porabi pri sprejemanju elektrona. F + eF + e   F→   F→

Elektronegativnost Elektronegativnost je mera za težnjo prvine, da je mera za težnjo prvine, da pritegne delejeni elektron, ki je vezan na drugo pritegne delejeni elektron, ki je vezan na drugo prvino. prvino. 

      Določa značaj kemijske vezi med prvinami.Določa značaj kemijske vezi med prvinami.

Valenca je število elektronov, ki jih prvina lahko odda ali sprejme. Prehodne prvine imajo lahko več kot eno valenčno 

stanje.

Atomi težijo k zapolnjeni zadnji lupini – k stabilni Atomi težijo k zapolnjeni zadnji lupini – k stabilni konfiguraciji. Zato sprejemajo ali oddajajo konfiguraciji. Zato sprejemajo ali oddajajo elektrone.elektrone.

AnionAnion nastane, ko atom ujame dodatni elektron,  nastane, ko atom ujame dodatni elektron, kationkation, ko ga odda., ko ga odda.

Atom ima lahko več ionskih Atom ima lahko več ionskih oblik:oblik: FeFe00, Fe, Fe2+2+, Fe, Fe3+3+

Velikost atoma je odvisna od načina njegove vezave z drugimi atomi.  Ionski, atomski, kovalentni, Van der Waalsov, kovinski, 

Bohrov Ionski radij določa dolžina vezi, ko je atom vezan z 

enim ali več drugimi atomi. Radii kationov so manjši od radijev anionov Radij se manjša z naraščanjem naboja Radiji se večajo navzdol po skupini, zaradi dodatnih 

elektronov na zadnji lupini ter zaradi “zaščitnega učinka”oblaka notranjih elektronov, ki preprečuje močnejši privlaka zunanjih.

Ionski radij določa pomembne geokemične lastnosti – nadomeščanja v trdni snovi, topnost in hitrost difuzije.

Ionski radij je odvisen od valenčnega stanja prvine.

Večji ioni so obdani   koordinirani – z več manjšimi.

Velikost ionskega radija je odvisna tudi od koordinacijskega števila. Podajamo ga glede na koordinacijo 

   s kisikom.

Razmerje med radijem katoina in aniona (rc/ra) določa koordinacijsko število in atomsko strukturo kristalov.

rc/ra k.š.

oblika primer

1 12

Heksagonalna/najtesnejša kubična

K+

.731 8 kubična Na+, K+

.41.73 6 oktaedrična Fe2+, Mg2+, Ca2+, Al3+ 

.22.41 4 tetraedrična Si4+, Al3+ 

.15.22 3 trikotna C4+

Polimorfizem Enaka kemijska formula,  a različna struktura. Dejavniki vpliva:

Višja T ⇒ bolj odprt sistem ⇒  višja simetrija Višji p ⇒  višja gostota Nečistoče Hitrost kristalizacije

Uporabnost: Geotermometer Geobarometer

CaCO3

Al2SiO5 

Al2SiO5 

SiO2

Kemijske vezi

Razen v žlahtnih plinih, so atomi običajno vezani z drugimi atomi v molekule, kristale ali ionske radikale.

Vežejo se s prenosom ali delitvijo elektronov ter z elektrostatičnimi sialmi, nastalimi zaradi neenakomerne porazdelitve naboja v atomih in molekulah. Ionska Kovalentna Kovinska Van der Waalsova in vodikova

Ionska vezIonska vez Ali bo atom oddal ali sprejel Ali bo atom oddal ali sprejel 

elektrone je odvisno od elektrone je odvisno od njegove elektronegativnosti.njegove elektronegativnosti.

Atomi z visoko Atomi z visoko elektronegativnostjo elektronegativnostjo 

bodo postali anioni.bodo postali anioni. Če elektroni popolnoma Če elektroni popolnoma 

preidejo med atomi, nastale preidejo med atomi, nastale katione in anione veže katione in anione veže ionska vez. ionska vez. 

Manjši kot je radij in višja kot je Manjši kot je radij in višja kot je valenca, močnejša je vez.valenca, močnejša je vez.

Kovalentna vezKovalentna vez Atoma s podobno Atoma s podobno 

elektronegativnostjo elektronegativnostjo dosežeta zapolnitev dosežeta zapolnitev zadnje lupine z delitvijo zadnje lupine z delitvijo elektronskih parov.elektronskih parov.

Veže ju kovalentna vez.Veže ju kovalentna vez.

Vez bo kovalentna, ko bo razlika Vez bo kovalentna, ko bo razlika elektronegativnosti atomov  2.elektronegativnosti atomov  2.

Vezi med kovinami Vezi med kovinami 

      in nekovinami bodo in nekovinami bodo 

      ionske, med ionske, med 

      kovinamikovinami

      in podobnimi si in podobnimi si 

      atomi kovalentne.atomi kovalentne. Polarna vezPolarna vez je po  je po 

   značaju med ionskoznačaju med ionsko

in kovalentno.in kovalentno.

Kristalna energija Je količina potrebne energije, da ločimo ione. Od nje oz. načina in moči vezave so odvisne 

fizikalne lastnosti mineralov: Simetrija Razkolnost Optične lastnosti v polarizirani svetlobi

Struktura silikatovStruktura silikatov Si je s 4 OSi je s 4 O22  

kovalentno močno kovalentno močno vezan v tetraeder, vezan v tetraeder,    AlAl   

z 8 v oktaeder.z 8 v oktaeder. Tetraedri oz. oktaedri Tetraedri oz. oktaedri 

polimerizirajo z polimerizirajo z delitvijo kisikov na delitvijo kisikov na ogljiščih.ogljiščih.

Ostale prvine (CaOstale prvine (Ca2+2+, , NaNa++,  Mg,  Mg2+2+,  Fe,  Fe2+2+,  K,  K++) ) so ionsko vezane med so ionsko vezane med njih.njih.

GEOKEMIJALiteraturaSlide 3Slide 4Slide 5Slide 6Slide 7Slide 8Slide 9Povzetek diferenciacije ZemljeSlide 11Kemijska sestava ZemljeSlide 13Slide 14AtomSlide 16Slide 17http://www.nndc.bnl.gov/chart/Periodni sistemSlide 20Elektroni in orbitaleSlide 22Slide 23Slide 24Slide 25Kemijske lastnosti prvinSlide 27Slide 28Slide 29Slide 30Slide 31Slide 32Slide 33Slide 34Slide 35Slide 36Slide 37PolimorfizemSlide 39Kemijske veziIonska vezKovalentna vezSlide 43Kristalna energijaStruktura silikatov